Fläche Steuerfahne

 
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Fläche Steuerfahne

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Gepostet: 08.12.2013 - 21:47 Uhr  ·  #1
Hallo,

Gibt es einen Richtwert, welche Fläche die Fahne im Verhältnis zum Rotordurchmesser haben sollte. Und wie lang sollte der Ausleger sein? Irgendwo hatte ich mal etwas darüber gelesen, finde es jedoch nicht mehr.
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Re: Fläche Steuerfahne

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Gepostet: 08.12.2013 - 22:13 Uhr  ·  #2
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Re: Fläche Steuerfahne

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Gepostet: 08.12.2013 - 22:16 Uhr  ·  #3
Ich meine mal etwas von 50% für die Steuerfahne und 30% für die Seitenfahne gelesen zu haben, kann das sein?
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Re: Fläche Steuerfahne

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Gepostet: 09.12.2013 - 20:28 Uhr  ·  #4
hmmmm, ich habe etwas von 10% und 5% gelesen!?!
würde mich jetzt ehrlich gesagt auch interessieren, da ich vor dem selben Problem stehe.
Im WWW ist darüber auch eigentlich gar nichts zu finden :(

LG René
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Re: Fläche Steuerfahne

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Gepostet: 09.12.2013 - 21:18 Uhr  ·  #5
Im Buch von Horst Crome ist die bewegliche Fahne mit 10% und die Steuerfahne mit 5% der Rotorfläche angegeben.
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Re: Fläche Steuerfahne

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Gepostet: 11.12.2013 - 05:36 Uhr  ·  #6
Aber dann wäre die querfahne bei einem Rotordurchmesser von 1,50m nur 7,5 cm groß. Soll das so richtige dein? Mir erscheint das recht klein.. <_<

LG Rene
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Re: Fläche Steuerfahne

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Gepostet: 12.12.2013 - 17:36 Uhr  ·  #7
Hallo Naturbursche,
Meine 4 Windräder, die seit ca. 10 Jahren Strom liefern und nach Bauplänen von Mr. Pigott (Scoraig windenergy) gebaut sind, haben eine Fläche bei der Windfahne von 11 % der Repellerfläche . Vorausgesezt, die Hebelarme und ihre Winkel und Längen entsprechen diesem Bauplan sind keinerlei Probleme zu erwarten. Furling ist 100 % sicher bei Windgeschwindigkeiten bis 100 kmh. (mehr hatten wir bisher nicht).
Im Übrigen kennt Menelaos diese Baukonzeption und hat die Windräder bei mir in Spanien persönlich gesehen und kann sie bewerten!
Ich selber kann zu den Bauplänen von Pigott und den weiterentwickelten Bausätzen aus dem Forum nur Bestes berichten!


Gruss fritzblitz
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Re: Fläche Steuerfahne

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Gepostet: 12.12.2013 - 17:45 Uhr  ·  #8
Noch.n Nachtrag:

Elemente wie Steuerfahne und Seitenfahne sind Konzepte aus der Windradsteinzeit. Die modernen furling - systeme haben eine Steuerfahne mit schräggestellter Schwenkachse, bewegen ihre Fahne dadurch Richtung azimut (von unten nach oben ) und lauern dann ort als kinetische Energie, bis die Stärke der Böe nachlässt und das Gewicht über den Hebel (Fahnenlänge) den Rotor wieder in Windrichtung stellt.
Dies ist eine ultra Kurzfassung des Geschehens . Ich selber habe Wochen gebraucht, bis ich verstanden hatt, wie es funzt. Erst, nachdem eines gebaut war , hat es geklingelt. Im Übrigen gibt es eine Menge Abhandlungen über dieses Thema . Suche bei "Furling...)im Net und Du wirst erleuchtet!

Es müssten unter meinem Namen "fritzblitz" noch ein paar bilder in den Tiefen des Forums liegen, bei denen auch Bremsen zu sehen sind.

Gruss Fritz
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Re: Fläche Steuerfahne

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Gepostet: 15.12.2013 - 21:27 Uhr  ·  #9
Hallo Fritz,

vielen Dank für Deine Antwort aber Furling ist nicht meins ;)

Ich möchte aus optischen Gründen eine Seitenfahne haben
1. Sind die Vorbereitungen getroffen und teilweise fertiggestellt und
2. Gefällt mir das System sowie die Optik der Seitenfahne besser. ;)

Ich denke ich werde es einfach ausprobieren, im Internet sind keine Formeln zur Berechnung gegeben oder ich finde sie einfach nicht ;)

100Kmh kommen bei uns selten aber regelmäßig vor. Letzte Woche hatten wir hier an der Küste "Xaver" über zwei Tage, mit teilweise 140Kmh toben...

LG René
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Re: Fläche Steuerfahne

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Gepostet: 16.12.2013 - 20:39 Uhr  ·  #10
Hallo Rene,
In den Einfälle statt Abfälle Heften von Christian Kuhtz gibt es in Heft 3 Windkraft echt stark, auf den Seiten 34, 35,36, 37bis 40 eine Abhandlung über Funktionn der Seitenfahnen Sturmsicherung . Formlen zur Berechnung gibt es da leider auch nicht, aber vernünftige Überlegungen eines Praktikers!
Vielleicht es Dir das eine Hilfe. Noch die ISBN Nr.: 3-924038-53-8.

LG Fritz
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Re: Fläche Steuerfahne

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Gepostet: 02.06.2020 - 12:44 Uhr  ·  #11
Hallo Rene , ein Zehntel von der Fläche die im Wind steht soll richtig sein.
Funzt allerdings bei mir auch nicht.
Luv Läufer wird zum Lee Läufer und macht Geräusche. Ich denke mal auf dem Dach montiert ist immer anders.
Werde die Fahne vergrössern, mal schauen.
Gruss Nobs
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Re: Fläche Steuerfahne

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Gepostet: 03.06.2020 - 11:53 Uhr  ·  #12
vielleicht auch den Ausleger etwas länger gestalten, auch das kann gut helfen
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Re: Fläche Steuerfahne

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Gepostet: 04.06.2020 - 12:23 Uhr  ·  #13
Das stimmt, wegen dem dann längeren Hebelarm ist auch eine kleinere Fahnenfläche dann wirksamer. Was allerdings manch einer nicht weiß oder ignoriert ist dass die Gondel auf dem Azimuthlager weder kopflastig noch Schwanzlastig lagern darf, das muß genauestens im Gleichgewicht sein!

Sonst zieht die schwerere Seite ständig das Windrad aus dem Wind, es schwänzeit zuviel, dreht oft im Kreis, je nachdem wie senkrecht der Mast und damit auch das Azimuthlager ausgerichtet ist.

Wer sich dann darauf verlässt, dass eine einmal perfekt senkrecht ausgerichtete Mast - Stellung bei dem immer auftretenden unterschiedlichen Winddruck den der Mast aushält auch ständig senkrecht stehen bleibt hat die berühmte A- Karte gezogen...

Bei genau austarierten Gewichtsverhältnissen der Gondel, Rotor und Fahne kann der Mast auch schon mal etwas in Schieflage geraten ohne das das Windrad gleich verückt spielt.
Che
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Windfahnen

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Gepostet: 23.06.2020 - 17:46 Uhr  ·  #14
Massengleichheit bezüglich Mittelpunkt Schwenklager an zu streben, ist ein Luxus, um den man sich evtl. kümmern kann, wenn alles andere erledigt ist. Bei einem Furl-System ala Piggott wird man vermutluch darauf verzichten müssen. Geht doch die Masse der Windfahne samt Arm in die Funktion ein.
Wäre auch verzichtbar, denn zum Mast Ausrichten gibt es Wasserwaagen. :-) Und wenn aus einem Lüftchen ein Windchen geworden ist, sollte auch ein "untariertes" Fahnensystem ordnungsgemäß funktionieren.

Seitenfahnen-Systeme
10% von der Rotorfläche für die Hauptfahne und 5% für die Seitenfahne wurde hier bezüglich Crome zitiert.
Was fehlt sind Angaben zu den relativen Längen der Fahnenstangen. Da kannst Du nachliefern, Carl. Aber bitte kurz und sachlich!
Bischen aus der Mode, auch wegen dem Design. Aber Seitenfahnen-Systeme, wenn richtig abgestimmt, funktionieren meines Wissens nach unabhängig vom Belastungszustand des Rotors und sogar, wenn er garnicht da ist.


WEA ohne mechan. Abregelung und Helikopter-Anlagen
Diese benötigen offensichtlich recht kleine Windfahnen bzw. kurze -Stangen. Wobei das Eine durch das Andere austauschbar ist. Eigentlich kommt es auf das Produkt an, so wie die Fahnenkraft * Hebelarm ein Drehmoment bildet.
Bei den Heli-Anlagen gibt es einen besonderen Betriebsfall. Wenn nämlich im abgekippten Zusatand der Generator auf Kurzschluss gesetzt wird. Da hat die Gondel das Bestreben, sich durch das Kurzschlussmoment zu drehen. Bei über 90°, gar in Richtung 180° würde der Wind versuchen, den Rotor schlagartig an zu heben. Das muss vermieden werden.
Zum Einen duch abgemilderten Kurzschluss, zum Anderen dadurch, dass die Windfahne ein Drehen über 90° verhidert. Dazu braucht sie eine gewisse Größe.
Zusätzliche hydraulische Endlagen-Dämpfer können harte Stöße vermieden.

Furl-Systeme (Eklipsen-Regelung)
Sie gibt es mit Rückstellfedern, oder auch nur angetrieben durch das Fahnengewicht, was sich beim Rückschwenken senkt.
Näheres: topic.php?p=55241#real55241
Ich halte die federlosen Systeme, wenn sie funktionieren, als die Besten. Denn zumindest bei offenen Federn besteht die Gefahr des Festsinterns durch Eisregen.

Bezüglich Fahnenfläche bzw. Rückstellmoment braucht das System aber mehr Aufwand.
Fritzblitz hatte von 11% gesprochen. Dem schließe ich mich in der Weise an, dass ich wesentlich größere Fahnen bezüglich Gesamt-Design für unakzeptabel halte. Hatte, nachdem ich bei meiner Kleinanlage D 1,65m mit ner Windfahne - etwas größer als bei relevanter Heli-Anlage - und Fahnenstange auch etwas länger - gescheitert war. Probekonstruktionen gemacht.
Aber erst noch mal zu Piggotts Angaben:

 

Quelle: S. 32 aus Piggot, The Axial Flux Windmill Plans, 2011, Mit Eintragungen der Prozente von mir

Man sieht, dass die "reichlich 11%" nur für D ab 2,4m stimmen. Auch sind die Rechtecke zu den Enden leicht verjüngt, was Fläche kostet. Kann trotzdem sein, dass die 1800-er auch mit weniger Fläche funktionieren würde.

Mehr hoch als breit ist übrigens richtig. Liegt die Strömung an, wird aus einem Wid.-Körper eine Tragfläche. Und da spielt bezüglich Effizienz die Streckung eine Rolle.

Bei dieser meiner Kleinanlage

 

genügte das Rückstellmoment der Windfahne nicht. Die hatte anstatt etwa 10° eher um 30° Anstellwinkel.
Da konnte auch ein nachträglich eingebrachter senkrechter Mittelschlitz im Blatt nichts retten. Wahrscheinliche Wirksamkeit hatte ich mir vorher von Ora bestätigen lassen.

Inzwischen sieht sie so aus.

 

Rechteckmaße 350x800. Zuvor 350x500. Neu übrigens echte 11%, trotz Verschlankungen zu den Enden hin.

Wenn das nicht reicht, dann lasse ich mir lieber ein Profil der gewölbten Platte anrollen, oder zumindest einen leichten Knick nach dem ersten Drittel, ähnlich La Cour-Profil. Ist möglich bei solchen durch das Generator-Offset quasi einseitig beaufschlagten Windfahnen.
Che
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Re: Fläche Steuerfahne

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Gepostet: 24.06.2020 - 18:38 Uhr  ·  #15
Bei der rechnerischen Abschätzung meiner neuen Windfahne habe ich zunächst versucht, mittels gekoppelter Verhältnisrechnungen (3-Sätze gehen auch) zwischen Wirkflächen vom Rotor, Exzentrizität (Offset) und Fahnenarm-Länge auf meine neue Fläche zu kommen. Irgendwann recht verrannt dabei, so dass ich mir ein Rechenmodell geschaffen habe. Hier die Geometrie dazu, aus der Draufsicht meiner Anlage:

 


Hier nochmal nur das Schema:

 


Und schon könnte mir auf den Fuß fallen, dass das Maß a, der Abstand mit 269 mehrfach größer ist, als das Offset e mit 100mm.
(Zur besseren Auflösung re. Maustaste, <Grafik anzeigen>, dann wieder zurück)
Wenn der Rotor bei zuviel Gondeldruck beginnt aus zu schwenken (Fahne bleibt in Position, hebt sich nur), wächst das wirksame Offset schnell an. Vermutlich schneller, als dass die projizierte Rotorfläche sinkt. Das könnte das Wegschwenken forcieren. Sicherheitsteschnisch o.K., nur wird angestrebt, dass die Leistung ab einer vorgesehenen Geschwindigkeit gedeckelt wird, also idealerweise die Leistungskurve waagerecht weiter läuft, mit leichtem Absinken bei wirklichem Sturm.

In der 2. eingezeichneten Stellung - um 45° gedreht - habe ich hier ein wirksames Offset von 261 mm. Weiß allerdings, dass ein Vergleichsrotor mit Black300-Blättern bei 45° nur noch ca. 37% Leistung hat. Ob das mit dem Gondelschub sich genauso verhält, kann ich nur annehmen. Wäre also Hebelwirkung gesteigert auf 2,61, der Schub aber reduziert um 2,7. Quasi Gleichstand.
Schub für diese Winkelstellung aber viel größer zu erwarten, da inzwischen wesentlich mehr Windgeschwindigkeit.
Für Gleichgewicht (Momentengleichheit) müsste das wirksame "Offset" daher kürzer sein.

Was heißt das jetzt? Möglicherweise starkes Abfallen der Leistung nach Furl-Beginn.
Man muss es ausprobieren. Zumindest auf einem Messwagen.
Könnte sein, dass kurze Generatoren für das Furl-System sich besser eignen. Meine Doppelscheibe sich als nachteilig erweist.

Zur Berechnung der Fahnengröße:

Momentengleichheit bei A:
F*L = S*e
F = S*e/L

Der Rotorschub S kann mittels QBlade simuliert werden: Bei 9 m/s 100N (Über der Nenn-TSR übrigens höher als darunter)
Die Gegenkraft F, welche die Fahne aufbringen muss, beträgt also

F = 100N*100mm/850mm = 11,76N

Weiter mit der Auftriebsgleichung:

F = Rho/2*Ca*v²*A
Nach A (der Fahnenfläche) umgestellt:
A = 2F/(Rho*v²*Ca)
Rho ist die Luftdichte, 1,225 kG/m³. Welchen Ca für die gerade Platte? Schon wirds kompliziert.
Habe nur Werte gefunden für Re 40.000:

 

Habe aber bei Fahnenbreite 0,3m und 9 m/s schon Re 150.000.
Wenn mir Ora nicht noch was bei steuert, muss ich mit folgenden Zusammenhängen arbeiten:

 


Da bei den meisten Profilen die Steigung der Gerade im linearen Bereich gleich ist, wird auch einer geraden Platte bei 10° ein Ca von 1 zugebilligt werden können. So zumindest meine Annahme.

Damit weiter in der Rechnung:
A = 2*11,67N/(1,225kG/m³*81m²/s²*1) = 0,235 m²
Die Einheiten mal noch mit N = kg*m/s² auf einen Bruchstrich geschrieben:
kg m m³ s²
----------------- Kürzt sich alles raus und übrig bleibt m². Ist gutes Indiz (aber kein Beweis), dass die Gleichungsumstellung richtig war.
kg m² s²

Bei den 0,235 m² kann es aber ansich noch nicht bleiben. Würde sich bei 0,35m Breite ein Rechteck ergeben mit 670 Höhe. Macht eine Streckung von 670/350 = 1,9. Nehmen wir 2. Mit diesem Wert hier rein in http://www.geopolos.de/Entwick…c528057650 Nach Abb. 9 wahres Ca nur halb so groß. Oder speziell für Ora: Fläche muss doppelt so groß werden, da wahre Auftriebskraft nur zur Hälfte zu erwarten.
Also eigentlich 0,47m², z.B. 0,5*0,94m.

Da das nach Probekonstruktion ein unmögliches Design abgeben würde, habe ich es bei einer Platte von 0,35*0,8m belassen. Oben und unten noch etwas reduziert, sind es 0,237m² und damit genau 11% der Rotorfläche.

Hat sich aber schon angedeutet, dass es zu wenig sein könnte.
Auswege:
1. Offset vermindern. Aber dann wird das Verhältnis a/e noch ungünstiger.
2. Das Blech anrollen zur gewölbten Platte. Ist möglich bei solchen, durch das Generator-Offset quasi einseitig beaufschlagten, Windfahnen.

 


Hier ist zu sehen, wie die Ca-Werte bei gleichem Alpha anwachsen. Allerdings auch wieder nur bei Re 40.000. Kann aber bei höheren nur besser werden.

Wer die Fahnenfläche mal mit 12 m/s nachrechnen will: Gondelschub S dann 170N.
Wenn etwa die gleiche Fläche raus kommt, dann ist das in Ordnung.
Che
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Furl-System

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Gepostet: 26.06.2020 - 18:47 Uhr  ·  #16
Habe mich versucht, das Abregelverhalten vom Furl-System zu berechnen. Ist von der Art, dass hier nur wenige folgen können. Deshalb bleibt es unveröffentlicht, zunächst wenigstens. Anfragen gerne.
Was ich aber veröffentliche, ist eine Ansicht und die EXCEL-Tabelle zur Funktion.
(Merke gerade, "Dateityp nicht erlaubt". Da muss in Zukunft einiges entstaubt werden!)

Ist, wie schon gesagt, physikalisch ein Pendel, dessen Achse bezüglich der Waagerechten stark geneigt wurde.
Auf Windfahne bezogen: Neigung zur Senkrechten dann gering, bei Normalpendel aber 90°, zur Senkrechten eben.

Habe die Berechnung des Rückdreh-Moments für beide Arten von Pendeln mit aufgeführt.

 


Bei meinem Beispiel Bedarf an Zusatzmasse für Abregelung ab 11 m/s erheblich.
So aber bei Schwenkwinkel 45° Gesamtleistung um 602W, zugerechnet 15,6 m/s. Das gefällt mir bei sonst 584W (11 m/s) gut.

Bei 9m/s Abregelbeginn wären bei 45° nur 316W raus gekommen.

Bei 11 m/s und "Vorschwenkung" Windfahne um 40° Zusatzmasse nur 15 kG. Abregel-Leistung bei 45° aber nur 425W (13,86) m/s.

Die Variante mit den 602 W gefällt mir am besten.

Die doch erhebliche Zusatzmasse für 11 m/s rührt daher:
Gondelschub 149N, Hebelarm e = 100mm. Multipliziert = 14,9Nm.

Denke, dass Piggott seine Anlagen wesentlich früher beginnen mit der Abregelung. So leicht, wie die Windfahnen doch sind.
Hatte dies bezüglich auch subjektiv den Eindruck, als ich unter einer stand.

Muss natürlich praktisch nachgewiesen werden. Wenn sich dann aber die Zahlen in Etwa so einstellen, wie berechnet, ist das ein erhabenes Gefühl. So als ob die Technik spricht: Mensch, du hast mich verstanden.
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Re: Fläche Steuerfahne

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Gepostet: 28.06.2020 - 14:15 Uhr  ·  #17
hab da auch mal ein Berechnungstool gefunden, finde,es aber grad nicht wieder. Eigentlich sollte es hier aber auch irgendwo im Forum zu finden sein...war aber nur ein recht einfacher Ansatz der aber gut funktioniert hat...
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Crome-Tool?

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Gepostet: 29.06.2020 - 17:18 Uhr  ·  #18
Könntest Du das aus dem Anhang meinen? Vom Design wahrscheinlich von Daniel Rayes. Aber speziell für die Version ala Crome.

Zu meinem System:
Eine Windfahne dieser Kleinheit mit gesamt 22 kG ist illusorisch. Wäre auch schwerer als das Windrad bisher selber.

Also mal das Offset rechnerisch halbiert auf 50mm.
Damit Zusatzmasse nur noch 4,9 kG bei Auslösung bei 11 m/s. Ginge gerade noch.
Bei 45° Auslenkung lt. Rechnung allerdings zugehöriger Gondelschub von der Größe, dass Referenzwind wieder 11 m/s raus kommt.
Schlussfolgerungen:
1. Die Gondel schwenkt nach Auslösung bei 11 m/s sofort weiter bis 45°.
2. Die reale Leistung da nur 0,37 * 582W = 215W zu erwarten.
Sturmsicher ja, aber beides ist schlecht.

Das mögen die Situationen sein, wo anstatt einem Grab an Rücktrieb-Gewichten über Federsysteme nachgedacht wird.

Mit Ca von 1 bei ebener Platte klappts auch nicht.
Hat Ora beigesteuert:

 


Bei Breite 0,3m und 11 m/s Re um 183.000. Dafür Ca bei 10° nicht mehr als 0,64.

Wäre meine Fahne mit 11% selbst bei Offset 50mm um Faktor 1,6 zu klein. Abhilfe würde aber Anrollen zu Wölbung 5% bringen. Dann Ca von 1,0 sicher zu erreichen.
Bei Offset weiterhin mit 100mm könnte gewölbte Platte mit 10% die Rettung sein, aber auch nur gerade so.
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Re: Fläche Steuerfahne

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Gepostet: 29.06.2020 - 17:56 Uhr  ·  #19
Merke gerade. Anhang fehlt, da EXCEL-Dateien nicht erlaubt. Max, bin diesmal nicht bereit, das in einem Archiv unter zu bringen. Bring das bitte in Ordnung!
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Re: Fläche Steuerfahne

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Gepostet: 30.06.2020 - 11:56 Uhr  ·  #20
Hallo

An der Windfahne ist die Luftgeschwindigkeit gleich der Anströmgeschwindigkeit.
Darum wundere Ich mich das mit so hohen RE Zahlen gerechnet wird.
Ich rechne bei einer Geschwindigkeit von 10m/sek nur mit einer Flächenbelastung von lediglich 30 g auf einen Dezimeter Fläche.

Gruß Aloys.
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